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AEM高性能超电材料:原位掺杂N、Fe的富勒烯基3D交联分层碳复合材料

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通讯作者:华中科技大学李芳芳教授、彭平副教授;阿贡国家实验室Xiaoqiao Zeng博士(共同通讯)

发表期刊:Advanced Energy Materials

工作亮点

AEM高性能超电材料:原位掺杂N、Fe的富勒烯基3D交联分层碳复合材料
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1)     通过在富勒烯笼上引入含有多种元素的官能团,可以制备出具有增强赝电容和(或)双层电容的原位金属/非金属掺杂碳材料;

2)     本研究提供了一种新的合成方法制备用于储能的掺杂碳材料——液液界面沉积法,并将现有的电极材料从传统的碳、金属氧化物和导电高分子材料扩展到一种新的富勒烯衍生材料。

AEM高性能超电材料:原位掺杂N、Fe的富勒烯基3D交联分层碳复合材料

图一 用LLIP法将原始Fc-C60分子先自组装为有序层状排列结构,再转化为N和Fe共掺杂石墨碳复合结构的过程示意图


 研究背景

AEM高性能超电材料:原位掺杂N、Fe的富勒烯基3D交联分层碳复合材料
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1)     现状及问题:

电容电极材料是提高超级电容器电容性能的重要因素,为提高电容量,需制备具有导电性好、比表面积大、化学稳定性好、结构有序等特点的新型电极材料。富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是sp2杂化的全碳结构,它们都具有良好的导电性,活性炭、碳纳米管和石墨烯已广泛应用于制备超级电容器的电极材料,然而,它们都不能在分子水平上被精确设计和控制。富勒烯具有独特的分子结构和良好的结构,可以在分子水平上进行合理的设计和修饰,在太阳能电池应用、纳米材料科学和超分子化学等领域得到了广泛的关注。然而,它们在储能和转换应用方面目前为止只有少数研究报道,基于富勒烯衍生的碳材料仍然落后于其他材料。

2)     解决思路:

以往的研究表明,制备独特形态的碳基材料、表面功能化引入过渡金属氧化物的电活性纳米粒子 (如N, P, S等杂原子)对提高碳基超级电容器的性能具有重要意义。因此,研究者们提出了一种简单的原位合成氮、铁共掺杂碳复合材料的策略。其中富勒烯衍生物,即二茂铁吡咯烷酮C60 (Fc-C60),记为FC,同时具有吡咯烷和二茂铁两种官能团。采用液-液界面沉淀方法(LLIP)制备了具有良好抗弯性能的交叉层合结构,然后在600℃、700℃和800℃下对样品进行处理,最终可制备得到一系列原位N、Fe掺杂的交联层状碳材料。


 实验思路

AEM高性能超电材料:原位掺杂N、Fe的富勒烯基3D交联分层碳复合材料
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1)     形貌表征、组成分析

形貌:通过LLIP法制备的样品呈现出有序结构,排列整齐,并组装成纵横交错的三维微观结构,层间有序的间隙为电解液的膨胀和扩散提供了有利的间隙,为电容器储能和电催化提供了理想的空间。同时,在高温热解过程中,Fc-C60的微观结构保持了较高的稳定性。FCL样品表面干净光滑,经过高温处理后,由于FCL的分解和表面纳米颗粒/纳米级孔隙的形成,使得片状物的表面和边缘变得更加粗糙,这对于提高层状材料的表面积和超级电容器的性能是至关重要的。Fe3O4 NPs在FCL600和FCL700的表面尺寸约为10-50nm,在FCL800上为30~120nm。

组成:在热解过程中,二茂铁吡咯烷化C60被分解,暴露的铁被氧化生成Fe3O4纳米颗粒。同时,将吡咯烷酮-C60部分转化为N掺杂石墨碳。经证实,FCL晶体在高温下发生结构转变,sp2杂化碳堆叠形成石墨相。

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图二 (a-d)FCL,FCL600,FCL700,FCL800的SEM图像;(e)FCL700的元素mapping图

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图三 (a-d)FCL、FCL600、FCL700、FCL800的TEM和HRTEM图像

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图四 (a,b)FCL、FCL600、FCL700、FCL800的XRD图谱和Raman图谱

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图五 (a-d)FCL700的XPS C 1s,O 1s,Fe2p,N 1s图谱

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图六 (a,b)FCL、FCL600、FCL700、FCL800的N2吸附/脱附等温线及孔径分布图

2)     电化学性能

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图七 (a-d)FCL、FCL600、FCL700、FCL800在10mV/s扫速下的CV曲线、0.1A/g电流密度下的恒电流充放电曲线、倍率性能及交流阻抗测试

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图八 (a,b)FCL700在6M KOH中的CV曲线、恒电流充放电曲线(三电极体系);

(c,d)FCL700在6M KOH中的CV曲线、恒电流充放电曲线(两电极体系)。

 结论

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本文开发了一种简单的合成碳复合材料策略,利用富勒烯衍生物在原位合成氮和铁共掺杂碳材料,并且应用于超级电容器储能。通过液液界面沉积法(LLIP),Fc-C60粉末成功自组装成十字形三维分层层状结构。随后在600℃、700℃和800℃温度下热解,将这些独特的微观结构转化为均匀的配合物,其中Fe3O4 纳米颗粒成功嵌入N掺杂的碳基体中。制备所得FCL700具有优良的电容性能,其比电容为505.4 F/g,在高电流密度下具有良好的倍率性能。结果表明,电极材料的形貌和热解对改善电化学性能都是至关重要。基于富勒烯衍生物中,可以引入含有不同元素的官能团;富勒烯独特的微结构和易掺杂特性可制备储能器件中的碳材料。本研究也为储能和电化学催化方面提供一个新型综合策略。

文章链接

Fullerene-Based In Situ Doping of N and Fe into a 3D Cross-Like Hierarchical Carbon Composite for High-Performance Supercapacitors, Adv.Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201802928.

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201802928

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨简奈

主编丨张哲旭


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